JP3792683B2

JP3792683B2 - レーザ溶接装置

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Publication number: JP3792683B2
Application number: JP2003275338A
Authority: JP
Inventors: 満廣奥田; 好丈古屋
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2023-07-16
Also published as: JP2005034885A; US20050011867A1; EP1498212A1

Description

本発明はレーザ溶接装置に関し、更に詳しく言えば、被溶接部で発生するプラズマ光をモニタする方式を採用したレーザ加工装置に関する。

近年、自動車業界を初め、一般産業分野においてもレーザ溶接のニーズが高まってきている。一般に、レーザ溶接では被加工ワークの形状や表面状態によって溶接条件が変化し易いため、安定した溶接品質を維持することが困難な場合も多い。この問題を解決する１つの方策として、光センサを被溶接部近傍あるいは加工ツール（レーザ加工ヘッド）上に配置してプラズマが放射する光（以下、プラズマ光という）の強度を測定し、溶接状態をモニタすることが従来より行なわれている（下記特許文献１を参照）。

特開平５−７７０７４号公報

しかし、上記の方法では、被溶接ワーク表面のレーザ光照射部に生じたプラズマから出射されたプラズマ光の分光強度を検出してプラズマの発光温度を推定し、それに基づいてレーザ出力の制御を行う手法は採用されていなかった。本発明は、このような従来技術を改良し、被溶接ワーク表面のレーザ光照射部に生じたプラズマから出射されたプラズマ光の分光強度からプラズマの発光温度を推定し、それに基づいてレーザ出力の制御等を行なえるレーザ溶接装置を提供しようとするものである。

本発明は、複数の光センサで異なる波長領域の光を検出し、被溶接ワーク表面のレーザ光照射部に生じたプラズマから出射されるプラズマ光の分光強度を検出してプラズマの発光温度を推定し、それに基づいてレーザ出力の制御を行えるようにしたものである。

より具体的に言えば、本発明は、レーザ発振器と、該レーザ発振器より出射されるレーザ光を溶接ツールに導くための光ファイバーとを有し、被溶接ワークに溶接を行うレーザ溶接装置に適用される。そして、本発明の基本的な特徴に従えば、同レーザ溶接装置には、被溶接ワーク表面のレーザ光照射部に生じたプラズマから出射されたプラズマ光から取り出された、互いに異なる波長領域の光の強度を夫々検出する複数の光センサと、プラズマ光の分光強度を、それら光センサによって検出された光の強度に基づいて求める分光強度検出手段と、該分光強度検出手段によって検出された分光強度に基づいて、前記プラズマの発光温度を推定する発光温度推定手段と、該発光温度推定手段によって推定された発光温度に基づいてレーザ出力を制御する手段が設けられる。

ここで、前記分光強度検出手段によって求められた分光強度に基づいて、前記プラズマ光を生成している材料を推定する材料推定手段を具備させても良い。

また、溶接条件データベースと、検出された分光強度に基づいて被溶接ワークの材料を推定する材料推定手段とを用いて、推定された材料に対して所定の溶け込みが得られる溶接条件を溶接条件データベースから選択し、自動設定するようにしても良い。更に、出力一定のまま溶接ツールをビーム照射方向に進退させ、検出されたプラズマ光の強度が最大となる位置をレーザビーム焦点とする焦点自動設定手段を設けても良い。あるいは、出力一定のまま溶接ツールをビーム照射方向に進退させ、推定されるプラズマの発光温度が最大となる位置をレーザビーム焦点とする焦点自動設定手段を設けても良い。そして、被溶接部のプラズマ発光温度履歴のデータを蓄積し、該蓄積されたデータに基づいて溶接不良個所を特定するように構成することも出来る。

本発明によれば、レーザ溶接時に被溶接部に発生するプラズマ光の分光強度をモニタして発光温度を推定し、それに基づくレーザ光出力制御を実行することができる。また、分光強度のモニタリングを利用して、発光材料の推定や、それに基づく溶接条件データの自動設定等を行うこともできるようになる。

図１、図２は、それぞれ本発明の１つの実施形態における各部の接続関係を示すブロック図及び全体配置の概要を示す図である。両図の描示から判るように、本実施形態では、ロボット制御装置２によって制御されるロボット（本体）１のアーム先端部に溶接用ツールとして、レーザ溶接トーチ３が搭載され、被加工ワーク５に対する溶接が行なわれる。レーザ溶接トーチ３へのレーザ光の供給は、レーザ発振器１０から、光ファイバー４を介して行なわれる。

レーザ溶接トーチ３から被溶接ワーク５の表面に溶接用のレーザ光が照射されると、周知のように、プラズマ６が被照射部に発生する。本発明の特徴に従い、このプラズマ６が放射するプラズマ光は、レーザ溶接トーチ３のレーザ光照射路乃至レーザ光照射光学系を通してピックアップされ、光ファイバー４内に導入される。光ファイバー４内に導入されたプラズマ光は、光ファイバー４内を導光され、集光レンズ５０を介してレーザ発振器１０の内部に設けられた光路に渡される。

レーザ発振器１０の内部に設けられた光路は、分岐用のハーフミラー４０を用いて、レーザ光用の光路ＬＢと、プラズマ光用の光路Ｐに枝分かれしている。なお、光ファイバー４を通してレーザ発振器１０に入射する光には、プラズマ光の他にレーザ光がワーク表面で反射した光（戻り反射レーザ光）がある程度混入している。ここで、プラズマ光のスペクトルは、後述するようにある程度変動することが想定されるが、そのエネルギの殆どは、戻り反射レーザ光よりも短波長側にある。

従って、ハーフミラー４０には、表面にプラズマ光を通し、戻り反射レーザ光を反射する特性を有するハイパスフィルタ層を形成したものを採用することが好ましい。プラズマ光用の光路Ｐは、更に、ハーフミラー３１、３２と（全）反射ミラー３３を用いて３系統に分かれ、プラズマ光は３分割され、それぞれバンドパスフィルタ２１、２２、２３を介して光センサ１１、１２、１３に入射するようになっている。

バンドパスフィルタ２１、２２、２３は、順に波長λ1 、λ2 、λ3 （λ1 ＜λ2 ＜λ3 ）の光をピーク透過波長に持つものである。波長λ1 、λ2 、λ3 は、通常可視光領域にあり、例えばλ1 ＝４４０nm、λ2 ＝５５０nm、λ3 ＝６７０nmである。これにより、各光センサ１１〜１３は、それぞれ、波長λ1 、λ2 、λ3 のほぼ単波長の光を受光する。本実施形態では、ロボット制御装置２はレーザ発振器１０の制御部を兼ねており、図１に示したように、光センサ１１〜１３はロボット制御装置２に接続され、随時、波長λ1 、λ2 、λ3 の光の強度（分光強度）がロボット制御装置２内に取り込まれるようになっている。

ロボットコントローラ２はレーザ発振器１０のレーザ共振器（励起ランプ等を含む駆動部）に接続され、後述する態様でレーザ光出力を制御する。また、ロボット制御装置２は、教示された動作プログラム（溶接作業プログラム）を内部で読み込み、ロボット１を同プログラムが指定した作業経路に沿ってロボット１のツール先端点（通常は、レーザ溶接トーチ３の先端に対応）を移動させ、その過程でレーザ光出力を制御（ＯＮ／ＯＦＦ及びレベル制御等）する。

なお、ここでは、光センサは３個配置する例を示したが、他の態様として、例えば光センサとバンドパスフィルタを２組あるいは４組以上配置することもあり得る。

ここで、被照射部で発生するプラズマの温度と発光スペクトルとの関係について簡単に説明しておく。基礎物理学の教えるところによれば、絶対温度Ｔの黒体から放射される分光放射光のスペクトルＥb （λ；Ｔ）は、下記のウィーンの公式（１）で与えられることが知られている。
Ｅb （λ；Ｔ）＝Ｃ1 λ^-5exp （−Ｃ2 ／λＴ）・・・（１）
ここで、Ｃ1 、Ｃ2 は放射定数と呼ばれる定数である。

そして、通常、被測定物体（ここではプラズマ）の波長と温度に依存した放射率εを持ち、任意の波長λ＝λp での光エネルギ強度は、下記（２）式で表わされる。
Ｅp （λp ；Ｔ）＝εp Ｃ1 λp^-5exp （−Ｃ2 ／λp Ｔ）・・・（２）
例えば、光センサ１１が検出する光の波長λ1 では下記（３）式となり、光センサ１２が検出する光の波長λ2 では、下記（４）式となる。
Ｅ1 （λ1 ；Ｔ）＝ε1 Ｃ1 λ1^-5exp （−Ｃ2 ／λ1 Ｔ）・・・（３）
Ｅ2 （λ1 ；Ｔ）＝ε2 Ｃ1 λ2^-5exp （−Ｃ2 ／λ2 Ｔ）・・・（４）
これらの光エネルギ強度比をとれば、下記（５）式となる。

Ｅ2 ／Ｅ1 ＝（ε2 ／ε1 ）（λ1 ／λ2 ）⁵ exp{（１／λ1 −１／λ2 ）Ｃ2 ／Ｔ] ・・・（５）
ここで、波長λ1 とλ2 の差が小さい範囲では、εの波長依存性は無視出来るので、この条件を使うと上記（５）式は、下記（６）式となる。

Ｅ2 ／Ｅ1 ＝（λ1 ／λ2 ）⁵ exp{（１／λ1 −１／λ2 ）Ｃ2 ／Ｔ}
・・・（６）
ここで、放射定数Ｃ1 、Ｃ2 は知られた値であるから、光センサ１１、１２の検出強度をＥ1 、Ｅ2 とし、上記（６）式を温度Ｔについて解けば、温度Ｔを知ることが出来る。なお、（５）式でεの波長依存性が無視できない場合には、予めλ1 、λ2 に対応するε2 ／ε1 のデータベースを作成してロボット制御装置２のメモリに格納しておき、モニタリング時にデータベースを参照することで、プラズマ温度の測定が可能となる。

同様に、例えば光センサ１２、１３の検出強度の比からも、プラズマ温度を推定することが出来る。本実施形態のように、３波長あるいはそれ以上の波長で分光強度を測定する場合には、２波長間でのエネルギ強度比が２個以上得られるので、それに対応して２つ以上のプラズマ温度Ｔが算出される。その場合は、例えばそれら算出値の平均をとれば良い。本実施形態の例で言えば、Ｅ2 ／Ｅ1 とＥ3 ／Ｅ2 を用いてそれぞれ温度Ｔを求め、平均をとれば良い。Ｅ1 、Ｅ2 、Ｅ3 はそれぞれ光センサ１１、１２、１３の検出値から得られる。

図３には、被照射部に形成されるプラズマ６が比較的高温である場合と、比較的低温である場合について、スペクトルＥb （λ；Ｔ）を例示した。また、波長λ1 、λ2 、λ3 の位置を概念的に例示した。

本実施形態では、上記の事項に基づき、レーザ溶接実行中にプラズマ光のモニタリングを行いつつ、レーザ光出力の制御を行なう。制御の処理フローの概要は図４のフローチャートに示した通りである。
加工装置の運転を開始するとメインプロセッサ（ここではロボット制御装置２のＣＰＵ）は、処理を開始する。各ステップの要点を記せば次のようになる。

ステップＳ１；教示プログラムの行番号を表わす指標ＬをＬ＝１に初期設定する。
ステップＳ２；行番号が最終行であるか否かチェックし、最終行なら処理を終了し、そうでなければステップＳ４へ進む。

ステップＳ３；指標Ｌが指定した行番号の動作文を読み込む。
ステップＳ４／ステップＳ１２；その命令文がレーザＯＮ命令であれば、ステップＳ５へ進む。そうでなければ、ステップＳ１２へ進み、指標Ｌを１アップして、ステップＳ２へ戻る。なお、レーザＯＮ命令以外の命令（例えば溶接開始点へのロボット移動）は、通常通り実行するが、本発明と特に関係がないので、説明は省略する。

ステップＳ５；各光センサ１１〜１３の検出信号（λ1 、λ2 、λ3 の分光強度）を取り込む。

ステップＳ６／ステップＳ７；各光センサの検出信号から信号強度レベルを求め、予め設定したレベルと比較する。あるいは、２波長以上の分光強度検出値の比率を上述したデータベースと比較し、温度換算を行い、予め設定した基準温度と比較する。また、各センサからの検出信号レベル、換算で得られた温度データ等をメモリに格納する。なお、格納時点を表わす時刻、あるいはロボットの現在位置データ等を併せてこれら諸データのラベル情報として記憶する。

ステップＳ８；検出した信号強度レベルが設定したレベルを下回った場合、あるいは、換算温度が基準温度を下回った場合には、ステップＳ１０へ進み、そうでなければステップＳ９へ進む。
ステップＳ９／ステップＳ１３；検出した信号強度レベルが設定したレベルを上回った場合、あるいは、換算温度が基準温度を上回った場合には、ステップＳ１１へ進み、そうでなければステップＳ１３へ進み、指標Ｌを１アップしてステップＳ２へ戻る。

ステップＳ１０；レーザ光出力の増加を指示する。例えば、レーザ共振器１５の励起部の電流値を所定値だけアップする。
ステップＳ１１；レーザ光出力の減少を指示する。例えば、レーザ共振器１５の励起部の電流値を所定値だけダウンする。

以上の処理を実行することで、レーザ溶接実行中にプラズマ光のモニタリングを行いつつ、レーザ光出力レベルを一定に保つ制御、あるいは、プラズマ温度を一定に保つ制御が実現される。なお、ステップＳ７で処理周期毎に蓄積されたプラズマ履歴データは、必要に応じて、例えば図５に示したようなグラフでディスプレイ（ロボット制御装置２に付設；図示は省略）上に表示される。

図５のグラフに例示したように、なんらかの溶接不良が発生すると、プラズマ温度の急低下として記録される。この急低下が起った時間（あるいはロボット位置）から、溶接不良の発生個所を知ることが出来る。

また、２波長以上で検知する構成では、プラズマから検知された発光スペクトル分布から、材料を椎定し、推定された被加工物に対して所定の溶け込みを得るのに最適なレーザ加工条件（例えばステップＳ７〜Ｓ９で使用される基準値）をメモリー内データベースから選択し、自動設定することも可能である。

更には、レーザ溶接トーチ（ツール）を、ロボット動作により、高さ方向に移動させてレーザビームを出射し、１つの光センサで検知されたプラズマ発光強度がもっとも強くなる高さ位置を記億し、ビーム焦点として設定することも可能である。

また更に別の態様では、レーザ溶接トーチ（ツール）を、ロボット動作により、高さ方向に移動させてレーザビームを出射し、２個以上の光センサで、分光されたプラズマ光を測定し、最も高いプラズマ発光温度を検知してビーム焦点として設定することも可能である。

実施形態における各部の接続関係を説明するブロック図である。実施形態における配置の概要を説明する図である。被溶接部で発生するプラズマ光のスペクトルと、センサによる分光強度の検出ついて説明する図である。実施形態で行なわれる処理について説明するフローチャートである。プラズマ温度の履歴から、溶接不良個所を推定することについて説明する図である。

符号の説明

１ロボット（本来機構部）
２ロボット制御装置
３レーザ溶接トーチ（レーザ溶接用加工ヘッド）
４光ファイバー
５ワーク（被溶接物）
６プラズマ
１０レーザ発振器
１１〜１３光センサ
１５レーザ共振器
２１〜２３バンドパスフィルタ
３１、３２ハーフミラー
３３反射ミラー
４０プラズマ光透過ハーフミラー
５０集光レンズ

Claims

レーザ発振器と、該レーザ発振器より出射されるレーザ光を溶接ツールに導くための光ファイバーとを有し、被溶接ワークに溶接を行うレーザ溶接装置において、
被溶接ワーク表面のレーザ光照射部に生じたプラズマから出射されたプラズマ光から取り出された、互いに異なる波長領域の光の強度を夫々検出する複数の光センサと、
前記プラズマ光の分光強度を、前記複数の光センサによって検出された光の強度に基づいて求める分光強度検出手段と、
該分光強度検出手段によって検出された分光強度に基づいて、前記プラズマの発光温度を推定する発光温度推定手段と、
該発光温度推定手段によって推定された発光温度に基づいてレーザ出力を制御する手段とを備えることを特徴とする、レーザ溶接装置。
前記分光強度検出手段によって求められた分光強度に基づいて、前記プラズマ光を生成している材料を推定する材料推定手段を備えたことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ溶接装置。
溶接条件データベースと、
前記分光強度検出手段によって求められた分光強度に基づいて被溶接ワークの材料を推定する材料推定手段と、
前記材料推定手段によって推定された材料に対して所定の溶け込みが得られる溶接条件を前記溶接条件データベースから選択して自動設定する手段とを備えたことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ溶接装置。
前記プラズマ光の強度を検出するプラズマ光強度検出手段を備え、
前記レーザ発振器より出射されるレーザ光の出力を一定に保ったまま、溶接ツールをビーム照射方向に進退させ、前記プラズマ光強度検出手段によって検出されたプラズマ光の強度が最大となる位置をレーザビーム焦点とする焦点自動設定手段を備えたことを特徴とする、請求項１〜請求項３の内、いずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
被溶接部のプラズマ発光温度履歴のデータを蓄積する蓄積手段と、該蓄積手段によって蓄積されたデータに基づいて溶接不良個所を特定する手段とを備えたことを特徴とする、請求項１〜請求項３の内、いずれか１項に記載のレーザ溶接装置。